Stencil Shadows

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Stencil Shadows

• Daniele Banovaz 30 maggio 2006

Elementi di Grafica Digitale, A.A. 2005-2006
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Limportanza delle ombre

• La resa efficace delle ombre è un elemento
  importante per agevolare la percezione della
  profondità allinterno di scene 3D, e, in certi
  casi, essa rappresenta lunico riferimento per
  comprendere a colpo docchio il posizionamento
  relativo di oggetti disgiunti.
• La volontà di aumentare il fotorealismo in
  videogames, ambienti virtuali ed altre
  applicazioni grafiche interattive ha dato vita a
  numerosi algoritmi per la resa ed il
  perfezionamento di ombre realistiche le due
  tecniche maggiormente utilizzate sono Shadow Maps
  e Stencil Shadows Volumes.

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Shadow Maps(Lance Williams, 1978)

• Tecnica pensata per essere semplice, generale ed
  efficiente, nelle applicazioni in tempo reale è
  pienamente supportata in HW e risulta
  computazionalmente molto veloce tuttavia la
  quantità di memoria presente sulle schede video
  risulta ancora troppo bassa per una resa pulita
  e senza artefatti.
• In particolare, per la dipendenza stretta del
  metodo da rasterizzazione e proiezione
  prospettica della mappa dombra, sono inevitabili
  nelle applicazioni odierne dei forti fenomeni di
  aliasing delle silhouettes tuttavia vi sono in
  corso numerosi studi per leliminazione del
  fenomeno sui piani dinteresse (in particolare
  Chong and Gortler, 2004).

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Shadow Maps passo passo
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Un caso duso attuale CoD2
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Volume Shadows(Frank Crow, 1977)

• Questa tecnica e le sue derivate si basano sulla
  ricostruzione dei volumi dombra che si stagliano
  dagli oggetti illuminati (shadow casters)
• Vi sono differenti metodologie che differiscono
  in accuratezza e velocità di calcolo, che
  tuttavia partono da una base comune la
  generazione dei volumi.

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Generazione dei volumi

• Tale procedimento si compone dei seguenti passi
• Individuazione dei silhouette edges, cioè gli
  spigoli di separazione tra facce illuminate
  (front-facing faces) e facce in ombra
  (back-facing faces) tale procedimento, che per
  modelli complessi risulta computazionalmente
  dispendioso, nelle applicazioni real time viene
  approssimato, sia per esigenze di velocità, sia
  per la frequente mancanza di spigoli separatori
  ideali in modelli low-poly count.
• Definizione dei volumi gli spigoli individuati
  vengono estesi in direzione opposta alla luce a
  formare dei quadrilateri.
• Eventuale chiusura dei volumi, utilizzata in
  tecniche avanzate come lo Zfail o in qualche
  correzione dello Zpass.

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Le prime implementazioni

• La prima tecnica per la resa delle ombre
  attraverso gli Shadow Volumes è la ExclusiveOR
  lo stencil buffer viene riempito pixel per pixel
  invertendo il valore per ogni volume che passa lo
  Z-test.
• Questa implementazione, che richiede un solo
  passo addizionale, è molto veloce ma presenta
  moltissime imperfezioni, tra cui lannullamento
  dellombra nelle intersezioni tra i volumi ed il
  problema, comune allo Zpass, del near clipping
  plane.

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Zpass

• La tecnica più diffusa negli anni precedenti è
  rappresentata dallo Zpass un algoritmo
  relativamente semplice e non esente da difetti.
• A differenza dellExclusiveOR, lo Zpass utilizza
  uno stencil buffer con più bit per pixel, nei
  quali conteggia gli attraversamenti di volumi i
  passi assomigliano a quelli che compongono il
  metodo precedente, cambia ciò che viene salvato
  sullo stencil buffer le facce front-facing
  incrementano il valore, mentre le back-facing lo
  decrementano. Valori finali diversi da zero
  indicano che la zona è in ombra.

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Zpass

1. Rendering della scena utilizzando solo luci
   ambientali
2. Rendering delle facce front-facing sullo stencil
   buffer se passano il depth test i pixel
   corrispondenti vengono incrementati.
3. Rendering delle facce back-facing sullo stencil
   buffer se passano il depth test i pixel
   corrispondenti vengono decrementati.
4. Viene eseguito il rendering della scena
   complessiva con diffuse e specular lightening
   solo nelle aree in cui lo stencil buffer vale
   zero.

• Nella figura risulta evidente il problema più
  grosso di questo approccio il near clipping
  plane. Tale piano infatti, tronca i volumi
  dombra vicini allosservatore, escludendoli dal
  conteggio nello stencil buffer. Ne risultano zone
  erroneamente in ombra o illuminate qualora lo
  shadow volume si trovi ad attraversare questo
  piano.

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Zfail

• Nel tentativo di porre rimedio agli artefatti
  causati dal near plane, svariati studi giungono a
  definire un approccio inverso, che considera i
  volumi che falliscono il depth-test.
  Limplementazione più consistente di questo
  robusto metodo nasce con lengine di Doom III, ad
  opera di John Carmack (da cui laltro nome con
  cui è noto lo Zfail Carmacks Reverse).
• Tale metodo sposta il problema dal near al far
  plane, dove può essere aggirato estendendo il
  piano e la proiezione del dark cap lungo il
  volume dombra a un homogeneus infinity
  (Everitt and Kilgard, 2002).

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Zfail

• 0. Chiusura dei volumi dombra alle estremità.
• Rendering della scena utilizzando solo luci
  ambientali
• Rendering delle facce front-facing sullo stencil
  buffer se falliscono il depth test i pixel
  corrispondenti vengono decrementati.
• Rendering delle facce back-facing sullo stencil
  buffer se falliscono il depth test i pixel
  corrispondenti vengono incrementati.
• Viene eseguito il rendering della scena
  complessiva con diffuse e specular lightening
  solo nelle aree in cui lo stencil buffer vale
  zero.

• Questo metodo, più robusto del precedente,
  risulta anche più lento, in quanto è necessario
  calcolare la geometria per chiudere i volumi e,
  inoltre, viene escluso da alcune ottimizzazioni
  che per loro natura escluderebbero immediatamente
  le geometrie che falliscono il depth test.

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Zfail Doom III
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Il futuro dello Zpass ZP

• Come specificato in precedenza, lo Zpass processa
  gli shadow volumes in maniera efficiente ma
  scorretta nel caso di intersezione con il near
  clipping plane vi sono molti metodi per
  tappare i volumi troncati, ma tutti molto poco
  efficienti e soggetti ad altri artefatti dovuti
  soprattutto ad imprecisione aritmetica. Lunica
  alternativa robusta è data dallo Zfail, ma a
  costo di una maggior complessità elaborativa e
  del sacrificio dellaccelerazione data dallearly
  depth culling dei volumi dombra coperti al punto
  di vista.
• Una soluzione a questo problema è la promettente
  tecnica del Correct Zpass, altrimenti detto ZP.
  Questo metodo, proposto nel 2004 da Samuel
  Hornus, Jared Hoberock, Sylvain Lefebvre e John
  Hart, riprende lapproccio seguito dallo Zpass,
  utilizzando un procedimento analogo alle shadow
  maps per inizializzare lo stencil buffer
  definendo al contempo delle chiusure perfette per
  i volumi troncati.

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Linnovazione del ZP

• Al posto di calcolare complesse geometrie di
  chiusura, spesso disallineate e responsabili di
  crepe nelle ombre, questo sistema prevede una
  fase di inizializzazione dello stencil buffer, in
  cui il punto di vista viene spostato sulla luce
  ed il far clipping plane viene fatto coincidere
  con il near del punto di vista dellosservatore.
• La rasterizzazione attribuisce alle facce
  frontali un incremento dello stencil buffer ed
  alle altre un decremento.
• Alla fine di questa fase di inizializzazione, il
  punto di vista ritorna quello dellosservatore, e
  viene eseguito un normale Zpass dal momento che
  il buffer è già inizializzato con i valori dei
  volumi tra osservatore e near clipping plane, si
  evitano i problemi dei volumi tronchi.

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Performances

• Lo Zpass semplice rimane il metodo più
  performante, ma presenta errori inammissibili il
  confronto viene invece eseguito tra i ben più
  robusti Zfail e ZP.
• I risultati, su HW di 2 anni fa, mettono in
  evidenza come lo Zfail sia estremamente
  compromesso dallaumentare della complessità dei
  modelli, e possa risultare più lento anche
  dell80 rispetto allo Zpass.
• Lo ZP invece, si attesta ad ottimi valori, che
  ricalcano gli andamenti dello Zpass pur rimanendo
  più lento di circa il 10.

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Decremento di prestazioni () rispetto allo Zpass
twisted torus (12.000 tr)
head (20.222 tr)
pregnant woman (83.666 tr)

• --- Zfail
• --- ZP

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Perché ZP è più veloce

1. ZP non ha bisogno del dark cap allinfinito,
   mentre lo Zfail deve fare il rendering degli
   occluders due volte.
2. Zfail non può trarre beneficio dalle batched
   geometry (per es. triangle strips), perché non
   supportano la classificazione dei vertici come
   appartenenti a dark o light cap.
3. Dal momento che la dimensione del light frustum è
   molto inferiore a quella del camera frustum, la
   percentuale di geometria scartata con il culling
   nello Zpass è molto più alta rispetto allo Zfail
   anche le chiusure delle geometrie non troncate
   dal near plane devono essere calcolate
   manualmente nello Zfail, mentre lo ZP, eseguendo
   il rendering nel light frame, può avvalersi del
   culling HW.
4. Infine, lo Zfail non può godere dei benefici
   apportati dallearly depth culling, che
   nellintento di ridurre il prima possibile la
   complessità geometrica escluderebbe poligoni
   rilevanti per il calcolo delle ombre.

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Bibliografia

• ZP Correct Z-pass Stencil Shadows, (Samuel
  Hornus, Jared Hoberock, Sylvain Lefebvre, John
  Hart) (http//artis.imag.fr/Publications/2005/HHL
  H05/hhlh-zp-plus.pdf)
• Stencil Shadow Volumes, (oZone3D Tutorials,
  http//www.ozone3d.net/tutorials/stencil_shadow_vo
  lumes.php)
• John Carmack - E-mail to private list (2000).
  Published on the NVIDIA website.
• Specifiche nVidia UltraShadow (fonte nVidia)
  (http//www.nvidia.com/attach/63050?typesupportp
  rimitive0)
• Specifiche nVidia UltraShadow II (Toms Hardware
  Italia) (http//www.tomshw.it/graphic.php?guide2
  0040414pagefeforce_6800-13ultra_shadow_ii)
• Wikipedia
• Shadow mapping (http//en.wikipedia.org/wiki/Shado
  w_mapping)
• Shadow volume (http//en.wikipedia.org/wiki/Shadow
  _volume)
• Stencil shadow volume (http//en.wikipedia.org/wik
  i/Stencil_shadow_volume)
• Silhouette edge (http//en.wikipedia.org/wiki/Silh
  ouette_edge)
• altri siti di cui ho perso i riferimenti